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CN113094953B - 一种带机翼变形的铰链力矩天平的有限元分析方法 - Google Patents

一种带机翼变形的铰链力矩天平的有限元分析方法 Download PDF

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CN113094953B CN202110369450.8A CN202110369450A CN113094953B CN 113094953 B CN113094953 B CN 113094953B CN 202110369450 A CN202110369450 A CN 202110369450A CN 113094953 B CN113094953 B CN 113094953B
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Abstract

本发明提供一种带机翼变形的铰链力矩天平的有限元分析方法，属于风洞气动试验技术领域。针对大展弦比飞行器操纵面铰链力矩的测量，本申请采用有限元分析方法，在铰链力矩天平的设计阶段，通过三维建模软件对机翼及铰链力矩天平三维模型构建，使用有限元分析软件模拟铰链力矩天平和机翼在风洞试验的受力情况进行仿真分析，对仿真结果进行对比分析，优化铰链力矩天平及盖板的结构设计，减小机翼变形及模型盖板对铰链力矩天平测量结果的影响，制定合理的铰链力矩天平校准及试验方案。采用本发明，能够提高铰链力矩天平的测量不确定度，缩短其的研制周期，提高工作效率，具有良好的使用价值和社会效益。

Description

一种带机翼变形的铰链力矩天平的有限元分析方法
技术领域
本申请涉及风洞气动试验技术领域，具体为一种带机翼变形的铰链力矩天平的有限元分析方法。更具体地，本发明提供一种带机翼变形的铰链力矩天平的设计方法，其有利于铰链力矩天平及盖板的结构优化，制定合理的校准及试验方案，提高铰链力矩天平的测量精准度，缩短其研制周期，提高工作效率，具有较好的应用前景。
背景技术
铰链力矩天平主要用于测量作用在飞行器操纵面(副翼、方向舵)或全动翼面(平尾、鸭翼)模型上的铰链力矩。随着飞行器技术的不断发展，应用大展弦比的飞行器越来越普遍，对铰链力矩测量不确定度要求越来越高。
大展弦比的飞行器的特点是：模型机翼长且翼型很薄，机翼刚性较差。与操纵面连接的机翼模型较薄，铰链力矩天平在机翼内安装空间受到极大的限制，致使铰链力矩天平的宽厚比较大，因此铰链力矩大多数情况下均为片式天平，为三分量或四分量，但重点关注铰链力矩分量测量不确定度，其余分量作参考。天平及与天平连接的模型的刚度较弱，导致风洞试验的时候，在风洞试验中模型受力变形严重，影响操纵面铰链力矩的精确测量。
目前，为了提高该类铰链力矩的测量精准度，大多根据工程经验在风洞试验前，天平校准后，加载误差较大时，在机翼模型上设置电桥(称外置电桥)来对铰链力矩天平各分量信号进行修正，工作量较大，效率较低。
为此，迫切需要一种新的方法和/或装置，以解决上述问题。
发明内容
本申请的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种带机翼变形的铰链力矩天平的有限元分析方法。针对大展弦比飞行器操纵面铰链力矩的测量，本申请采用有限元分析方法，在铰链力矩天平的设计阶段，一方面，优化铰链力矩天平元件结构，减小机翼变形对铰链力矩天平的影响，确定是否需要设置外置电桥修正，提高铰链力矩天平的测量不确定度；另一方面，通过对盖板对铰链力矩天平测量精准度的影响，优化盖板结构及尺寸，提高铰链力矩天平测量不确定度。本发明能够用于指导该类铰链力矩天平及模型盖板的优化设计、制定合理的铰链力矩天平校准及试验方案，提高该类铰链力矩天平的测量精准度，缩短其的研制周期，提高工作效率，具有良好的使用价值和社会效益。
为了实现上述目的，本申请采用如下技术方案：
一种带机翼变形的铰链力矩天平的有限元分析方法，包含如下步骤：
(1)使用三维建模软件对机翼、铰链力矩天平、第一盖板、第二盖板进行三维模型构建；构建的三维模型包括机翼、铰链力矩天平、第一盖板、第二盖板，铰链力矩天平设置在机翼上且铰链力矩天平位于机翼上靠近方向舵的一侧，所述第一盖板、第二盖板分别设置在铰链力矩天平两侧且第一盖板、第二盖板分别与机翼固定连接；
(2)将步骤1构建的三维模型导入有限元分析软件，进行网格划分；
(3)固定机翼后，对铰链力矩天平实施加载；
(4)固定机翼与机身的连接面，对铰链力矩天平实施加载；
(5)固定机翼与机身的连接面，在机翼任取一加载点并记为机翼加载点，对机翼加载点施加机翼载荷；
(6)固定机翼与机身的连接面，在步骤(5)的机翼加载点施加机翼载荷，同时对铰链力矩天平实施加载；
(7)在机翼两侧加装第一盖板、第二盖板，固定机翼与机身的连接面，对铰链力矩天平实施加载；
(8)对比步骤(3)和步骤(4)中铰链力矩天平各分量的分析结果，得到固定机翼的不同位置对铰链力矩天平测量结果的影响δI；
(9)对比步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)中铰链力矩天平各分量的分析结果，得到机翼变形对铰链力矩天平测量结果的影响δII；
(10)对比步骤(6)和步骤(7)中铰链力矩天平各分量的分析结果，得到第一盖板和第二盖板对铰链力矩天平测量结果的影响δIII；
(11)若δI、δII、δIII中铰链力矩分量的测量误差在风洞试验允许范围内，则该模型中铰链力矩天平的测量不确定度越小；反之，则该模型中铰链力矩天平的测量不确定度越大，需要对铰链力矩天平、第一盖板、第二盖板中的一个或多个进行优化，或需要增加外置电桥，对测量结果进行修正。
所述步骤(3)中，在铰链力矩天平的天平自由端分别对铰链力矩天平施加各分量的设计载荷，设计载荷拟合至铰链力矩天平的中心。
所述步骤(4)中，在铰链力矩天平的天平自由端分别对铰链力矩天平施加各分量的设计载荷，设计载荷拟合至铰链力矩天平的中心。
所述步骤(6)中，固定机翼与机身的连接面，在步骤(5)的机翼加载点施加机翼载荷，同时在铰链力矩天平的天平自由端分别对铰链力矩天平施加各分量的设计载荷，设计载荷拟合至铰链力矩天平的中心。
所述步骤(3)～(6)中，是在机翼两侧未加装第一盖板、第二盖板的前提下进行的。
所述步骤(7)中，在机翼两侧加装第一盖板、第二盖板，固定机翼与机身的连接面，在铰链力矩天平的天平自由端分别对铰链力矩天平施加各分量的设计载荷，设计载荷拟合至铰链力矩天平的中心。
所述机翼加载点设置在机翼上且位于铰链力矩天平外侧并靠近翼尖方向。
所述步骤(11)中，外置电桥设置在铰链力矩天平与机翼的连接处。
综上，本申请提供一种带机翼变形的铰链力矩天平的有限元分析方法。本发明中，一方面，通过分析固定机翼的不同位置(步骤3和步骤4)，优化铰链力矩天平元件结构，使其对测量结果的影响控制在允许范围内；另一方面，通过固定机翼与机身的连接面，有无机翼变形(步骤4、步骤5和步骤6)情况下，对铰链力矩天平测量结果的对比分析，得出机翼变形对铰链力矩天平测量结果的影响，确定是否需要设置外置电桥修正的校准及试验方案；再次，通过加装盖板前后(步骤6和步骤7)，铰链力矩天平测量结果的对比分析，优化盖板的设计，尽量减小盖板对测量结果的影响。本发明有利于铰链力矩天平及盖板的结构优化，制定合理的校准及试验方案，提高铰链力矩天平测量精准度，缩短其研制周期，提高工作效率。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为实施例中一种带机翼变形的铰链力矩天平的有限元分析方法的主视图(不带盖板)；
图2为实施例中一种带机翼变形的铰链力矩天平的有限元分析方法的主视图(带盖板)；
图3为图2中A-A剖面的结构示意图；
图4为实施例中的方向舵加载点示意图。
附图标记：1、机翼，2、机翼加载点，3、铰链力矩天平，4、天平自由端，5、机翼与机身的连接面，6a、第一外置电桥，6b、第二外置电桥，6c、第三外置电桥，7、第一盖板，8、第二盖板，9、方向舵，10、加载点A，11、加载点B。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
本实施例是某型号飞机的方向舵铰链力矩天平。
如图1-图4所示，本实施例涉及一种带机翼变形的铰链力矩天平的有限元分析方法，其步骤如下：
步骤一、使用三维建模软件对机翼1、铰链力矩天平3、第一盖板7和第二盖板8进行三维模型构建；构建的三维模型包括机翼1、铰链力矩天平3、第一盖板7、第二盖板8，铰链力矩天平3设置在机翼1上且铰链力矩天平3位于机翼1上靠近方向舵9的一侧，第一盖板7、第二盖板8分别设置在铰链力矩天平3两侧且第一盖板7、第二盖板8分别与机翼1固定连接。
步骤二、使用有限元分析软件与三维建模软件的接口，将三维模型导入有限元分析软件，进行网格划分。
步骤三、固定机翼1后，对铰链力矩天平3实施加载；具体地，在铰链力矩天平3的天平自由端4分别对铰链力矩天平3施加各分量的设计载荷，设计载荷拟合至铰链力矩天平3的中心，记录铰链力矩天平3各分量的应变输出εA，见表1。
步骤四、固定机翼与机身的连接面5，在铰链力矩天平3的天平自由端4分别对铰链力矩天平3施加各分量的设计载荷，设计载荷拟合至铰链力矩天平3的中心，记录铰链力矩天平3各分量的应变输出εB，见表1。
步骤五、固定机翼与机身的连接面5，在机翼1上任取一加载点作为机翼加载点2(铰链力矩天平外侧(靠近翼尖方向))，对机翼加载点2施加机翼载荷，记录铰链力矩天平3各分量的应变输出εC，见表1。
步骤六、固定机翼与机身的连接面5，在机翼加载点2上施加机翼载荷，同时在铰链力矩天平3的天平自由端4分别对铰链力矩天平3施加各分量的设计载荷，设计载荷拟合至铰链力矩天平3的中心，记录铰链力矩天平3各分量的应变输出εD，见表1。其中，步骤三、步骤四、步骤五、步骤六是在机翼两侧未加装第一盖板7、第二盖板8的前提下进行的。
步骤七、在机翼1上加装第一盖板7和第二盖板8(此时，第一盖板7设置在铰链力矩天平3一侧，第二盖板8设置在铰链力矩天平3另一侧)，固定机翼与机身的连接面5，对铰链力矩天平3实施加载；具体地，在铰链力矩天平3的天平自由端4分别对铰链力矩天平3施加各分量的设计载荷，设计载荷拟合至铰链力矩天平3的中心，记录铰链力矩天平3各分量的应变输出εE，见表1。
表1铰链力矩天平应变分析结果
Figure BDA0003008708600000041
Figure BDA0003008708600000051
表1中，Z为侧向力，Mx为偏航力矩，Mj为铰链力矩。
步骤八、对比步骤三和步骤四中铰链力矩天平3各分量的结果进行分析，得到固定机翼1的不同位置对铰链力矩天平3测量结果的影响，相对误差的计算公式如下：
Figure BDA0003008708600000052
计算结果见表2。
步骤九、对比步骤四、步骤五和步骤六中铰链力矩天平3各分量的结果进行分析，得到机翼1受载变形对铰链力矩天平3测量结果的影响，相对误差的计算公式如下：
Figure BDA0003008708600000053
计算结果见表2。
步骤十、对比步骤六和步骤七中铰链力矩天平3各分量的结果进行分析，得到第一盖板7及第二盖板8对铰链力矩天平3测量结果的影响，相对误差的计算公式如下：
Figure BDA0003008708600000054
计算结果见表2。
表2对铰链力矩天平测量结果的影响
Figure BDA0003008708600000055
Figure BDA0003008708600000061
从表2可以看出：本实施例中，固定机翼1的不同位置、机翼1变形以及有无第一盖板7及第二盖板8，对铰链力矩分量Mj测量结果影响较小，其测量误差在风洞试验允许范围内，但对Z和Mx分量影响较大。
本实施例中，机翼加载点2位于机翼1上，且在铰链力矩天平3的外侧(靠近翼尖方向)；外置电桥设置在铰链力矩天平3与机翼1的连接处。
本实施例中，设置三个外置电桥，依次记为第一外置电桥6a、第二外置电桥6b、第三外置电桥6c，外置电桥设置在铰链力矩天平3与机翼1的连接处，用于测量机翼1受载后的变形。表3给出了本实施例铰链力矩天平3静态综合校准不确定度。
表3铰链力矩天平综合校准不确定度
Figure BDA0003008708600000062
从表3可以看出：本实施例铰链力矩天平3各分量不确定度均满足测量要求，外置电桥可以提高铰链力矩天平3不确定度，但不明显，本实施例可以不做外置电桥修正。
铰链力矩天平3校准完成后，按风洞试验的状态对铰链力矩天平实施加载，固定机翼与机身的连接面5，分别在+Z、-Z方向，对加载点A、加载点B铰链力矩天平3施加10kg载荷，加载结果见表4，表中的误差值均是铰链力矩天平3的测量值与真值的比值。
表4铰链力矩天平3有无盖板加载结果(％)
Figure BDA0003008708600000063
从表4可以看出：本实施例盖板对铰链力矩天平3的加载结果有影响，但Z分量及Mj分量影响较小，满足风洞试验测量误差要求，对Mx分量影响较大，与有限元分析结果基本一致，但铰链力矩试验重点关注的是Mj分量，对其余分量要求较低。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种带机翼变形的铰链力矩天平的有限元分析方法，其特征在于，包含如下步骤：
（1）使用三维建模软件对机翼、铰链力矩天平、第一盖板、第二盖板进行三维模型构建；构建的三维模型包括机翼、铰链力矩天平、第一盖板、第二盖板，铰链力矩天平设置在机翼上且铰链力矩天平位于机翼上靠近方向舵的一侧，所述第一盖板、第二盖板分别设置在铰链力矩天平两侧且第一盖板、第二盖板分别与机翼固定连接；
（2）将步骤（1）构建的三维模型导入有限元分析软件，进行网格划分；
（3）固定机翼后，对铰链力矩天平实施加载；
（4）固定机翼与机身的连接面，对铰链力矩天平实施加载；
（5）固定机翼与机身的连接面，在机翼任取一加载点并记为机翼加载点，对机翼加载点施加机翼载荷；
（6）固定机翼与机身的连接面，在步骤（5）的机翼加载点施加机翼载荷，同时对铰链力矩天平实施加载；
（7）在机翼两侧加装第一盖板、第二盖板，固定机翼与机身的连接面，对铰链力矩天平实施加载；
（8）对比步骤（3）和步骤（4）中铰链力矩天平各分量的分析结果，得到固定机翼的不同位置对铰链力矩天平测量结果的影响δI；
相对误差δI的计算公式如下：
Figure 878308DEST_PATH_IMAGE001
；
（9）对比步骤（4）、步骤（5）和步骤（6）中铰链力矩天平各分量的分析结果，得到机翼变形对铰链力矩天平测量结果的影响δII；
相对误差δII的计算公式如下：
Figure 264289DEST_PATH_IMAGE002
；
（10）对比步骤（6）和步骤（7）中铰链力矩天平各分量的分析结果，得到第一盖板和第二盖板对铰链力矩天平测量结果的影响δIII；
相对误差δIII的计算公式如下：
Figure 699819DEST_PATH_IMAGE003
；
（11）若δI、δII、δIII中铰链力矩分量的测量误差在风洞试验允许范围内，则该模型中铰链力矩天平的测量不确定度越小；反之，则该模型中铰链力矩天平的测量不确定度越大，需要对铰链力矩天平、第一盖板、第二盖板中的一个或多个进行优化，或需要增加外置电桥，对测量结果进行修正；
其中，
Figure 563870DEST_PATH_IMAGE004
为步骤（3）中铰链力矩天平各分量的应变输出，
Figure 971717DEST_PATH_IMAGE005
为步骤（4）中铰链力矩天平各分量的应变输出，
Figure 263021DEST_PATH_IMAGE006
为步骤（5）中铰链力矩天平各分量的应变输出，
Figure 359416DEST_PATH_IMAGE007
为步骤（6）中铰链力矩天平各分量的应变输出，
Figure 151791DEST_PATH_IMAGE008
为步骤（7）中铰链力矩天平各分量的应变输出。
2.根据权利要求1所述带机翼变形的铰链力矩天平的有限元分析方法，其特征在于，所述步骤（3）中，在铰链力矩天平的天平自由端分别对铰链力矩天平施加各分量的设计载荷，设计载荷拟合至铰链力矩天平的中心。
3.根据权利要求1所述带机翼变形的铰链力矩天平的有限元分析方法，其特征在于，所述步骤（4）中，在铰链力矩天平的天平自由端分别对铰链力矩天平施加各分量的设计载荷，设计载荷拟合至铰链力矩天平的中心。
4.根据权利要求1所述带机翼变形的铰链力矩天平的有限元分析方法，其特征在于，所述步骤（6）中，固定机翼与机身的连接面，在步骤（5）的机翼加载点施加机翼载荷，同时在铰链力矩天平的天平自由端分别对铰链力矩天平施加各分量的设计载荷，设计载荷拟合至铰链力矩天平的中心。
5.根据权利要求1所述带机翼变形的铰链力矩天平的有限元分析方法，其特征在于，所述步骤（3）~（6）中，是在机翼两侧未加装第一盖板、第二盖板的前提下进行的。
6.根据权利要求1所述带机翼变形的铰链力矩天平的有限元分析方法，其特征在于，所述步骤（7）中，在机翼两侧加装第一盖板、第二盖板，固定机翼与机身的连接面，在铰链力矩天平的天平自由端分别对铰链力矩天平施加各分量的设计载荷，设计载荷拟合至铰链力矩天平的中心。
7.根据权利要求1所述带机翼变形的铰链力矩天平的有限元分析方法，其特征在于，所述机翼加载点设置在机翼上且位于铰链力矩天平外侧并靠近翼尖方向。
8.根据权利要求1~7任一项所述带机翼变形的铰链力矩天平的有限元分析方法，其特征在于，所述步骤（11）中，外置电桥设置在铰链力矩天平与机翼的连接处。
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